Устройство для термомеханического бурения скважин

 

Использование: бурение скважины в скальных и мерзлых грунтах. Сущность изобретения: устройство содержит полую штангу, механический инструмент, распределительный элемент, ударно-вращательный механизм и термобур. Механический инструмент расположен на нижнем конце штанги. Во внутренней полости штанги закреплен распределительный элемент. Выходное звено ударно-вращательного механизма обеспечивает передачу удара и вращательного момента на распределительный элемент. Во внутренней полости штанги установлен с возможностью осевого перемещения поршень с продольными каналами . Термобур жестко соединен с поршнем . Распределительный элемент соединен с поршнем промежуточным элементом. Распределительный элемент имеет каналы для подвода охлаждающего агента, которые через кольцевой зазор между трубой и штангой сообщены с входами продольных каналов поршня. Сопловой аппарат термобура имеет коническую проточку на его боковой наружной поверхности. Входной участок осевого канала в механическом инструменте имеет коническую расточку для размещения соплового аппарата термобура . Магистрали для подвода горючего и окислителя через распределительный и промежуточный элементы сообщены с внутренней полостью камеры сгорания термобура. 7 з.п. ф-лы, 2 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4917221/03 (22) 07.03.91 (46) 07,04,92. Бюл. N. 13 (76) Д.B.×åñíîêîâ и Е,Ю.Корженевская (53) 622.243.94(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 985236, кл. Е 21 В 7/14,.1981.

Авторское свидетельство СССР

N - 1129350, кл. Е 21 В 7/14, 1983. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН (57) Использование: бурение скважины в скальных и мерзлых грунтах. Сущность изобретения; устройство содержит полую штангу, механический инструмент, распределительный элемент, ударно-вращательный механизм и термобур. Механический инструмент расположен на нижнем конце штанги. Во внутренней полости штанги закреплен распределительный элемент. Выходное звено ударно-вращательного механизма обеспечивает передачу удара и

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для бурения скважин в скальных и мерзлых грунтах.

Известно устройство для термомеханического бурения скважин, включающее ударно-вращательный механизм, механический инструмент, размещенный на торце полой штанги, подпружиненный термобур с поршнем и распределительный элемент с каналами для подачи горючего и окислителя, Ы, 1725762 А3 (я)з Е 21 В 7/14, Е 21 С 37/16 с

1 вращательного момента на распределительный элемент. Во внутренней полости штанги установлен с возможностью осевого перемещения поршень с продольными каналами. Термобур жестко соединен с поршнем. Распределительный элемент соединен с поршнем промежуточным элементом. Распределительный элемент имеет каналы для подвода охлаждающего агента, которые через кольцевой зазор между трубой и штангой сообщены с входами продольных каналов поршня. Сопловой аппарат термобура имеет коническую проточку на его боковой наружной поверхности. Входной участок осевого канала в механическом инструменте имеет коническую расточку для размещения соплового аппарата термобура. Магистрали для подвода горючего и окислителя через распределительный и промежуточный элементы сообщены с внутренней полостью камеры сгорания термобура.

7 з,п. ф-лы, 2 ил. во внутреннюю полость камеры сгорания термобура.

Однако это устройство имеет низкую эксплуатационную надежность, поскольку механический инструмент из-за его недостаточного охлаждения быстро перегревается и теряет свою работоспособность.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для термомеханического бурения скважин, включающее полую штангу, на нижнем конце которой

1725762 расположен механический инструмент с осевым каналом, имеющий коническую расточку на его входном участке, размещенный во внутренней полости верхней части штанги и жестко соединенный с последней распределительный элемент для подвода горючего и окислителя в камеру сгорания термобура, ударно-вращательный механизм с входным звеном для передачи удара и вращательного момента на распределительный элемент, установленный во внутренней полости штанги с возможностью ограниченного осевого перемещения поршень с продольными каналами., жестко соединенный с поршнем термобур с расположенным соосно с осевым каналом механического инструмента сопловым аппаратом для истечения продуктов сгорания топливной смеси из внутренней полости камеры сгорания термобура, магистрали для подвода горючего и окислителя. Данное устройство может работать не только в термомеханическом, а также в механическом и термическом режимах, что позволяет одним буровым органом эффективно бурить скважины в грунтах с различными физико-механическими свойствами.

Однако система охлаждения механического инструмента не позволяет обеспечить его стойкость при работе устройства в термомеханическом и термическом режимах из-за отсутствия в его корпусе охлаждающих трактов и невозможности применения

Bкачестве охлаждающего агента,,необходимой для устранения его перегрева, воздушно-водяной смеси, поскольку добавка воды в поток окислителя (сжатого воздуха) приводит к нарушению работы термобура.

Недостаточная герметизация соединения боковой наружной поверхности соплового аппарата термобура с конической расточкой входного участка осевого канала механического инструмента при работе устройства в термическом режиме приводит к попаданию охлаждающего агента в поток продуктов сгорания топливной смеси из внутренней полости камеры сгорания термобура, что ослабляет эффективность теплового воздействия на грунт при его бурении.

Цель изобретения — повышение эффективности работы устройства при бурении скважин в грунтах с различными физико-механическими свойствами за счет обеспечения возможности выбора рационального режима бурения при одновременном повышении эксплуатационной надежности его работы.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для термомеханического буре5

55 ния скважин, включающее полую штангу, на нижнем конце которой расположен механический инструмент с осевым каналом, имеющий коническую расточку на его входном участке, размещенный во внутренней полости верхней части штанги и жестко соединенный с последней распределительный элемент для подвода горючего и окислителя в камеру сгорания термобура, ударно-вращательный механизм с входным звеном для передачи удара и вращательного момента на распределительный элемент, установленный во внутренней полости штанги с возможностью ограниченного осевого перемещения поршень с продольными каналами, жестко соединенный с поршнем термобур с расположенным соосно с.каналом механического инструмента сопловым аппаратом для истечения продуктов сгорания топливной смеси из внутренней полости камеры сгорания термобура, магистрали для подвода горючего и окислителя, снабжено расположенной коаксиально с кольцевым зазором внутри штанги промежуточным элементом для соединения распределительного элемента с поршнем и магистралью для подвода охлаждающего агента, а распределительный элемент выполнен с каналом для подвода охлаждающего агента, при этом сопловой аппарат термобура выполнен с конической проточкой на боковой наружной поверхности его выходного участка, угол наклона образующей которого к продольной оси устройства равен углу наклона образующей конической расточки на входном участке осевого канала механического инструмента к продольной оси устройства, а магистрали для подвода горючего и окислителя последовательно через распределительный и промежуточный элементы сообщены с внутренней полостью камеры сгорания термобура, причем магистраль для подвода охлаждающего агента последовательно сообщена через канал для подвода охлаждающего агента в распределительном элементе, кольцевой зазор между трубой и штангой с входами продольных каналов поршня, Механический инструмент выполнен с охлаждающими трактами, которые через внутреннюю полость штанги сообщены с выходами продольных каналов в поршне, а промежуточный элемент может быть выполнен либо в виде жестко соединенной своими концами соответственно с распределительным элементом и с поршнем трубы с гофрированной вставкой, либо в виде жестко соединенных своими концами соответственно с распределительным элементом и с поршнем двух труб, причем свободный конец одной из труб расположен

1725762

30 щения выхода канала для подвода горючего 35

55 коаксиально внутри свободного конца второй трубы и установлен с возможностью осевого перемещения относительно последней.

Кроме того, устройство может иметь либо распределительный элемент с каналами для подвода горючего и окислителя, а также для сообщения выхода канала для подвода горючего в распределительном элементе с внутренней полостью камеры сгорания термобура трубопровод, который расположен во внутренней полости промежуточного элемента, причем выход канала для подвода окислителя в распределительном элементе сообщен через внутреннюю полость промежуточного элемента с внутренней полостью камеры сгорания термобура, либо оно может иметь смеситель для образования топливной смеси, а распределительный элемент выполнен с. каналом для подачи топливной смеси, при этом трубопроводы для подачи горючего и окислителя сообщены с внутренней полостью смесителя, а выход смесителя последовательно сообщен через канал распределительного элемента и внутреннюю полость промежуточного элемента с внутренней полостью сгорания термобура, При этом, если промежуточный элемент состоит из двух коаксиально расположенных труб, то их соединение выполнено с уплотнительным элементом и амортизатором, а если распределительный элемент имеет каналы для подвода горючего и окислителя, то трубопровод для сообв распределительном элементе с внутренней полостью сгорания термобура выполнен в виде гибкого шланга.

На фиг.1 представлено устройство с распределительным элементом, имеющим каналы для подвода горючего, окислителя и охлаждающего агента, промежуточный элемент выполнен в виде трубы с гофрированной вставкой, разрез; на фиг.2 — то же, с распределительным элементом, имеющим каналы для подвода топливной смеси и охлаждающего агента, промежуточный элемент выполнен в виде двух коаксиальных труб, разрез;

Устройство содержит полую штангу 1, на нижнем конце которой расположен механический инструмент 2, имеющий осевОй канал 3 с конической расточкой 4 на его входном участке и охлаждающие тракты 5.

Во внутренней полости верхней части штанги 1 размещен распределительный элемент

6, который состоит из наружной (невращающейся) и внутренней(вращающейся) частей, причем в нем могут быть выполнены каналы

20 для подвода горючего 7, окислителя 8 и охлаждающего агента 9 или каналы для подвода топливной смеси 10 и охлаждающего агента 9. Во внутренней части распределительного элемента 6 установлено входное звено 11 ударно-вращательного механизма (не показан), а наружная часть его соединена посредством кронштейнов 12 с направляющей 13. Подача компонентов к распределительному элементу осуществляется по соответствующим трубопроводам:

14 — горючее, 15 — окислитель, 16 — охлаждающий агент, 17 — топливная смесь, причем в последнем случае трубопровод 17 соединен с выходом смесителя 18, а с его внутренней полостью соединен трубопровод 14 и

15.

Во внутренней полости штанги 1 с возможностью ограниченного осевого перемещения установлены поршень 19 с продольными каналами 20 и жестко соединенный с поршнем 19 термобур 21 с расположенным соосно с осевым. каналом 3 механического инструмента 2 сопловым аппаратом 22 для истечения продуктов сгорания топливной смеси из внутренней полости камеры 23 сгорания. Так же во внутренней полости штанги 1 установлен жестко соединенный своими концами соответственно с распределительным элементом 6 и поршнем 19 промежуточный элемент 24, который может быть выполнен в виде трубы 25 с гофрированной вставкой 26, или в виде двух труб 27 и 28, при этом свободный конец одной из труб расположен коаксиально внутри свободного конца второй трубы, а соединение этих труб может быть выполнено с уплотнительным элементом 29 и амортизатором 30. Если распределительный элемент 6 имеет канал 7 для подвода горючего, то выход этого канала с внутренней полостью камеры 23 сгорания термобура 21 соединен трубопроводом 31, расположенным внутри промежуточного элемента 24 и выполненным в виде гибкого шланга. В нижнем положении термобура 21 сопловой аппарат 22 своей конической проточкой 32, выполненной на боковой наружной поверхности его выходного участка, прижимается к конической расточке 4 входного участка осевого канала 3 механического инструмента 2, при этом необходимая герметичность такого соединения достигается за счет того, что углы наклона образующей конической проточки 32 и конической расточки 4 к оси устройства равны. Для запуска термобура

21 может быть использована свеча 33 зажигания, соединенная с проводом 34 высокого напряжения, для подсоединения которого к источнику электроэнергии используется

1725762 пробка 35, размещенная в корпусе полой штанги 1.

Устройство для термомеханического бурения скважин в зависимости от физико-механических свойств грунта может работать в различных режимах.

Механический режим работы целесообразно использовать при бурении скважин в малопрочных грунтах, В этом случае устройство устанавливается на поверхность грунта и прижимается к ней посредством приспособления, оказывающего на него осевое усилие (не показано). К устройству подается только окислитель (сжатый воздух), который проходит по каналам 8 или 10 распределительного элемента 6, внутри промежуточного элемента 24, через внутреннюю полость камеры 23 сгорания и сопловой аппарат 22 термобура 21, а затем по осевому каналу 3 механического инструмента 2 поступает в призабойную зону. При включении ударно-вращательного механизма происходит передача ударов и вращательного момента через входное звено 11, внутреннюю часть распределительного элемента 6, полую штангу 1 и механический инструмент 2 на поверхностный слой грунта. В результате такого механического нагружения поверхностный слОй грунта разрушается, а продукты разрушения (шлам) выносятся из скважины потоком окислителя по кольцевому зазору между полой штангой 1 и стенкой скважины.

В монолитных грунтах с ярко выраженной кристаллической структурой целесообразно применять термический режим работы устройства. B этом случае ударновращательный механизм не используется, а к распределительному элементу 6 подаются указанные компоненты. Если топливная смесь образуется во внутренней полости камеры 23 сгорания термобура 21, то горючее туда поступает по трубопроводу 31 и каналу

7 в распределительном элементе 6, а окислитель — по каналу 8 во внутреннюю полость промежуточного элемента 24. Если топливная смесь образуется в смесителе 18, то во внутреннюю полость камеры 23 сгорания термобура 21 она поступает по каналу 10 распределительного элемента 6, а затем по внутренней полости промежуточного элемента 24. После воспламенения топливной смеси из соплового аппарата 22 истекают продукты ее сгорания, создающие реактивную силу, способствующую подъему термобура 21.

Расход охлаждающего агента, проходящего по трубопроводу 16, каналу 9 в распределительном элементе 6, кольцевому зазору между полой штангой 1 и промежуточным

55 элементом 24,а также продольным каналам

20 поршня 19 увеличивается до тех пор, пока величина давления внутри кольцевого зазора между полой штангой 1 и промежуточным элементом 24 будет достаточной для создания усилия на поршень 19, под действием которого он перемещается вместе с термобуром 21 в крайнее нижнее положение. В этом случае между конической проточкой 32 выходного участка соплового аппарата 22 термобура 21 и конической расточкой 4 входного участка осевого канала 3 механического инструмента 2 образуется герметичное соединение. B результате этого охлаждающий агент; пройдя продольные каналы 20 поршня 19 и кольцевой зазор между полой штангой 1 и термобуром 21, охлаждая при этом камеру 23 сгорания и сопловой аппарат 22 последнего, перемещается по охлаждающим трактам 5 механического инструмента 2, не вызывая ослабление потока продуктов сгорания топливной смеси. Устранение перегрева механического инструмента 2 обеспечивается за счет определенного состава охлаждающего агента, например, воздушно-водяной смеси. В результате воздействия на поверхностный слой грунта потока продуктов сгорания топливной смеси происходит его разрушение и вынос шлама из скважин.

Термомеханический режим работы устройства целесообразен при бурении высокопрочных нетермобуримых грунтов и осуществляется следующим образом, Производятся включение ударно-вращательного механизма и подача всех компонентов к распределительному элементу 6, В отличие от термического режима расход охлаждающего агента сокращается, что приводит к уменьшению величины усилия на поршень 19 и к его подъему вместе с термобуром. За счет эжекции, создаваемой потоком продуктов сгорания топливной смеси, охлаждающий агент, пройдя продольные каналы поршня 19, перемещается по кольцевому зазору между термобуром 21 и полой штангой 1, а затем, обхватывая поток продуктов сгорания топливной смеси, перемещается по осевому каналу 3 механического инструмента 2 в призабойную зону, где отжимает растекающиеся по забою потоки продуктов сгорания топливной смеси от корпуса механического инструмента 2, В результате теплового воздействия происходит разупрочнение поверхностного слоя грунта, окончательное разрушение которого завершается за счет воздействия механическогоо инструмента 2. В ы нос шлама из скважины осуществляется газопаровоздушным потокоом, образующимся при вза1725762

10

20 имодействии охлаждающего агента (воздушно-водяной смеси) с отраженными потоками продуктов сгорания топливной смеси.

Таким образом, предлагаемое устройство обладает достаточно высокой эксплуатационной надежностью и универсальностью, заключающейся в возможности работы в различных режимах. Сочетание этих качеств позволяет с помощью предлагаемого устройства высокопроизводительно бурить скважины в грунтах с различными физикомеханическими свойствами.

Внедрение предлагаемого устройства позволяет значительно повысить производительность буровых работ в районах залеганий скальных и мерзлых грунтов.

Формула изобретения

1. Устройство для термомеханического бурения скважин, включающее полую штангу, на нижнем конце которой расположен механический инструмент с осевым каналом, имеющий коническую расточку на его входном участке, размещенный во внутренней полости штанги и жестко соединенный с последней распределительный элемент для подвода горючего и окислителя в камеру сгорания термобура, ударно-вращательного механизма с входным звеном для передачи удара и. вращательного момента на распределительный элемент, установленный во внутренней полости штанги с возможностью ограниченного осевого перемещения поршень с продольными каналами, жестко соединенный с поршнем термобур с расположенным соосно с осевым каналом механического инструмента сопловым аппаратом для истечения продуктов сгорания топливной смеси из внутренней полости камеры сгорания термобура, магистрали для подвода горючего и окислителя, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения эффективности работы устройства при бурении скважин в грунтах с различными физико-механическими свойствами за счет обеспечения возможности выбора рационального режима бурения при одновременном повышении его эксплу-. атационной надежности, оно снабжено расположенным коаксиально с кольцевым зазором внутри штанги промежуточным элементом для соединения распределительного элемента с поршнем и магистралью для подвода охлаждающего агента, а распределительный элемент выполнен с каналами для подвода охлаждающего агента, при этом сопловой аппарат термобурэ выполнен с конической проточкой на боковой

55 наружной поверхности его выходного участка, угол наклона образующей которого к продольной.оси устройства равен углу наклона образующей конической расточки на входном участке осевого канала механического инструмента к продольной оси устройства, а магистрали для подвода горючего и окислителя последовательно через распределительный и промежуточный элементы сообщены с внутренней полостью камеры сгорания термобура, причем магистраль для подвода охлаждающего агента последовательно сообщена через канал для подвода охлаждающего агента в распределительном элементе, кольцевой зазор между трубой и штангой с входами продольных каналов поршня.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что механический инструмент выполнен с охлаждающими трактами, которые через внутреннюю полость штанги сообщены с выходами продольных каналов в поршне.

3. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что промежуточный элемент выполнен в виде жестко соединенной своими концэми соответственно с распределительным элементом и с поршнем трубы с гофрированной вставкой, 4. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что промежуточный элемент выполнен в виде жестко соединенных одними своими концами соответственно с распределительным элементом и с поршнем двух труб, причем свободный конец одной из труб расположен коаксиально внутри свободного конца второй трубы и установлен с возможностью осевого перемещения относительно последней;

5. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что распределительный элемент выполнен с каналами для подвода горючего и окислителя, при этом выход канала для подвода горючего в распределительном элементе посредством расположенного во внутренней полости промежуточного элемента трубопровода сообщен с внутренней полостью камеры сгорания термобура, а выход канала для подвода окислителя в распределительном элементе сообщен через внутреннюю полость промежуточного элемента с внутренней полостью камеры сгорания термобура, 6. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что оно имеет смеситель для образования топливной смеси, а распределительный элемент выполнен с каналом для подачи топливной смеси, при этом магистрали для подвода горючего и окислителя сообщены с внутренней полостью смесите11

1725762

12 ля, а выход смесителя последовательно сообщен через канал для подачи топливной смеси в распределительном элементе и внутреннюю полость промежуточного элемента с внутренней полостью камеры сгорания термобура.

7. Устройство по п.4, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что соединение свободных концов труб выполнено с уплотнительным элементом и амортизатором.

8. Устройство по п.5 о т л и ч а ю щ е е с я тем, что трубопровод для сообщения выхода

5 канала для подвода горючего в распределительном элементе с внутренней полостью камеры сгорания термобура выполнен в виде гибкого шланга.

1725762

Фиг.2

Составитель

Техред М.Моргентал Корректор О.Кравцова

Редактор О.Головач

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1189 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5